KUASIKRISTAL YANG DIBUAT DENGAN MEMUTAR DUA LEMBAR KRISTAL 45°

Kristal adalah pola yang berulang: geser satu langkah, dan pola itu akan menimpa dirinya sendiri. Kuasikristal mematahkan aturan itu. Seperti diingatkan makalah ini, kuasikristal menunjukkan bahwa keteraturan jangka panjang bisa ada tanpa pengulangan sama sekali. Atom-atomnya mengikuti susunan yang ketat dan deterministik sehingga menghasilkan pola difraksi yang tajam — tetapi dengan simetri rotasi, seperti lipat lima, delapan, sepuluh, atau dua belas, yang mustahil pada kristal berulang. Keteraturan seperti ini telah dikaitkan dengan perilaku elektronik, optik, dan mekanik yang tak lazim.

Masalahnya, sebagian besar kuasikristal ditemukan pada paduan logam tertentu, atau sebagai lapisan ultratipis di permukaan tertentu. Akibatnya, hanya sedikit kendali atas simetrinya, kimianya, atau cara memasukkannya ke dalam perangkat.

Memutar alih-alih menemukan

Gagasan yang dijajaki di sini adalah menjadikan sudut putar itu sendiri sebagai tombol pengatur. Tumpukan terputar dari material dua dimensi sudah menunjukkan bahwa simetri terlarang dapat dipaksakan lewat geometri, tetapi lapisan-lapisannya hanya terikat lemah satu sama lain. Oksida kompleks berbeda: permukaannya dapat berikatan secara kimia saat bersentuhan, dan dalam prosesnya mengubah struktur elektroniknya.

Shivasheesh Varshney, Bharat Jalan, Richard D. James, dan sebuah tim besar di Universitas Minnesota, bersama mitra antara lain Caltech, MIT, Universitas Teknik Denmark, dan Universitas Antwerpen, bekerja dengan stronsium titanat, oksida yang atom-atomnya duduk di kisi persegi berukuran 3,905 ångström. Mereka menumbuhkan lembaran kristal tunggal yang tipis di atas lapisan korban, melepaskannya, memutarnya dengan sudut yang dipilih, menumpuknya di atas penyangga, lalu memanggang tumpukan itu pada 900 °C dalam oksigen.

• Dua lembar pada 45° menghasilkan pola oktagonal lipat delapan.
• Tiga lembar dengan langkah 30° berturut-turut, dengan lembar tipis di tengah, menghasilkan pola dodekagonal lipat dua belas.

Pengukuran sinar-X menunjukkan bahwa sudut putar mengenai sasarannya dalam batas ±0,2 derajat, apa pun penyangganya.

Melihat simetri yang terlarang

Difraksi elektron menunjukkan cincin berisi delapan titik berjarak sama untuk tumpukan 45° dan dua belas titik untuk tumpukan tiga lapis, dan titik-titiknya tajam, tanda adanya keteraturan jangka panjang. Citra beresolusi atom cocok dengan pola ubin matematis klasik kuasikristal ini: persegi dan belah ketupat 45° pada kasus lipat delapan, dengan perbandingan persegi dan belah ketupat 1 banding √2; segitiga, persegi, dan belah ketupat 30° pada kasus lipat dua belas.

Keteraturan lipat delapan (dwilapis 45°) dan lipat dua belas (trilapis 30°/30°) yang terlihat lewat difraksi elektron, pencitraan atom, dan analisis Fourier, serta pola ubin bersarang yang ukurannya tumbuh dengan faktor 1 + √2 dan 2 + √3. — Gambar 2, Varshney et al. (2026), arXiv:2610.09222.

Pola-pola itu juga serupa-diri (self-similar). Gugus ubin muncul kembali pada skala yang makin besar: pada kasus lipat delapan, setiap generasi 1 + √2 ≈ 2,414 kali lebih besar dari sebelumnya; pada kasus lipat dua belas, 2 + √3 ≈ 3,732 kali. Simulasi komputer yang memakai interaksi atom hasil pembelajaran mesin menunjukkan bahwa susunan itu bertahan setelah relaksasi dan gerakan pada suhu ruang, dan bahwa ukuran keteraturan kuasikristal mencapai maksimum hanya tepat pada 45°.

Antarmuka yang terikat, bukan sekadar ditumpuk

Pemanggangan itu penting. Sebelumnya, selapis residu setebal 1 hingga 3 nanometer memisahkan lembaran-lembaran. Sesudahnya, mikroskopi menunjukkan antarmuka yang tajam hingga sekitar satu lapis atom, dengan bidang-bidang kristal yang bersambung melintasinya. Spektroskopi elektron mengungkap atom titanium dalam keadaan muatan yang berbeda (Ti³⁺) tepat di batasnya — tanda ikatan kimia yang nyata.

Batas itu juga membentuk ulang struktur elektronik. Pada lembaran setebal hanya 1,5 nanometer, serapan sinar-X yang diukur pada wilayah bersebelahan antara satu lembar tunggal dan dua lembar terputar menunjukkan bahwa antarmuka 45° menata ulang orbital elektron dan memperkuat ikatan melintasi batas. Perhitungan menunjukkan adanya pola pusaran dipol listrik yang sangat kecil di antarmuka.

Sudut istimewa bagi cahaya

Terakhir, tim memompa tumpukan itu dengan pulsa terahertz yang kuat dan menyelidikinya dengan cahaya laser terpolarisasi sirkular. Pada sudut putar menengah, antarmuka menambahkan sinyalnya sendiri. Tepat pada 45°, sinyal antarmuka itu saling meniadakan dan tak dapat dibedakan dari sinyal substrat — dan itu hanya terjadi setelah pemanggangan. Sudut kuasikristal menonjol sebagai titik istimewa.

Tombol baru untuk merancang material

Dengan pendekatan ini, menurut para penulis, keteraturan kuasikristal tidak lagi harus ditemukan dalam paduan khusus: ia dapat disetel dengan sebuah putaran, dalam oksida yang elektron, spin, dan kisi kristalnya terkopel kuat, lalu dipindahkan ke berbagai penyangga. Bagaimana tumpukan lipat dua belas membentuk ulang struktur elektronik dibiarkan untuk penelitian selanjutnya.